CTA 報告128:
CTA大口径望遠鏡用分割鏡
性能評価と最適配置
稲田知大A, 手嶋政廣A,B, 野田浩司C, 奥村曉D, 加賀谷美佳E, 片桐秀明E, 黒田隼人A,齋藤隆之A, 千川道幸F, 中嶋大輔A, 深見哲志A, 林田将明G, 山本常夏H, 吉田龍生E，李健F 他CTA-Japan consortium

東大宇宙線研A, Max-Planck-Inst. fuer Phys.B, IFAEC, 名大ISEED, 茨城大理E,
近畿大理工F, 千葉大G, 甲南大理工H

Cherenkov Telescope Array (CTA)
次世代地上ガンマ線群
・三種類(大中小)の口径の望遠鏡
・従来の望遠鏡と比較すると・ 一桁以上の感度向上
・ 一桁広いエネルギー帯域(20GeV ~ 300TeV)
・南北のサイトで観測, 北:La Palma(Spain), 南:Paranal(Chile)

Credit:https://www.cta-observatory.org

CTA北サイト@La Palma
Roque de los Muchachos observatory(標高2200m)に大口径望遠鏡初号機を建設中(合計4台建設予定)
建設状況 2017年9月7日
駆動輪と構造体の1段目が完成！！

当日は最新版に書き換えます3

大口径望遠鏡

198枚の•20 GeV - 1 TeVの観測エネルギー帯

分割鏡配置•大口径望遠鏡(LST)光学系仕様•口径(D) : 23m•焦点距離(f) : 28m•視野 : 4.5
•カメラPixelサイズ : 0.1 (50 mm)•主鏡面形状 : 放物面•198枚の球面分割鏡により構成

放物面への分割鏡配置

LST概念図Credit:https://www.cta-observatory.org(Large-Sized Telescope : LST)

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分割鏡開発★分割鏡仕様◆三光精衡所との共同開発◆曲率半径 : 56.0 ‒ 58.4 m◆スポットサイズ: D80 < 16.7mm@1f(pixel sizeの1/3の大きさ)•D80 : 鏡から反射された全光量の80%が入る円の直径1.51m★製法 : Cold Slump 技術

曲率を持った型(モールド)★モールドは6種類の曲率を用意◆放物面配置する際に最適配置を行う★安価で軽量(~50kg)な鏡の製造に成功◆現在、大量製造段階◆約500枚製造済◆約400枚がLa Palmaにshipping済5分割鏡の性能評価
目的

使用する分割鏡一枚一枚の性能を評価★品質管理のための測定★望遠鏡放物面への配置の最適化

性能評価手法 : 2f法★曲率半径(R)だけ離れた点光源からの反射像の広がりを測定★像の広がりを結像性能(D80)として解析★測定のための原点は目視でスポットが小さくなるところをとり、7点測定後、双曲線でﬁttingする。

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分割鏡の性能評価結果(宇宙線研+三光精衡所)
検査の流れ (1)納品前に三光精衡所で全数検査(2)納品後に宇宙線研で抽出検査(当初100%, 後に20%)

曲率半径(R)

スポットサイズ(D80)

Spec. 56.0 - 58.4m

Spec. D80@2f<33.3mm

青: LST1台分ごとを理想的な放物面と考えSpecて、それを４台分製造したときの分布。
赤: 測定結果(三光精衡所+宇宙線研)★今年度さらに400枚製造予定。
◆理想分布の数に足りないRの範囲の鏡を重点的に製造する

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分割鏡の性能評価@La Palma
目的

使用する分割鏡の性能を評価
198枚の★今年の1月, 5月にLa Palmaに向けてshipping(合計約400枚)
分割鏡配置★shippingの影響がないかを抽出検査

性能評価手法 : 1f法

La Palmaには2f法が行える屋内スペースがない→省スペース可能な1f法を用いた

スクリーン

平行光を作る鏡
Reference

測りたい鏡
MeasuredMirror

Mirror(A)(B)★宇宙線研での測定でスポットサイズが最も小さい分割鏡をReference Mirrorとして平行光を作る鏡として用いた。

分割鏡の性能評価@La Palma
7/25 ~ 9/6(6week)、稲田、黒田(ICRR)の2名がLa Palmaに滞在し、測定を進めた

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分割鏡の性能評価 1fと2fでの比較
スポットサイズ(D60)★1f測定では、直接測定したい鏡のスポットサイズを測ることはできない。
◆測定したスポットイメージはreference mirrorとmeasured mirrorのスポットイ
メージのconvolution◆スポットイメージの中心部分(D60)はgaussianだと仮定し、deconvolution
D60(1f) 2@La Palma▪(σmes@1f)2 = (σobs@1f)2 - (1/2 σref@2f)2 (σ=D60)

Std Dev

D60(2f)@宇宙線研(宇宙線研の結果) - (La Palmaでの測定) [mm]★deconvolutionや測定の精度より、運搬中に変形したのかはすぐに切り分けることはできないが、全ての鏡が両測定でスペックを満たしているので、望遠鏡の結像性能には問題ない。

10分割鏡の性能評価 1fと2fでの比較
曲率半径(R)
曲率半径@La Palma★宇宙線研での測定とLa Palmaでの測定の比較
赤線:y=xStd.dev

Std Dev

器具の設置精度を5cmと仮定して誤差を考慮

曲率半径@宇宙線研(宇宙線研の結果) - (La Palmaでの測定) [m]★こちらも測定精度により、本当に運搬中に変形したのかはすぐに切り分けることはできない。
★標準偏差で12cm(R)ほどの差が出てしまうが、後述する配置手法により、望遠鏡への結像性能には影響を与えない程度

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分割鏡配置の基本方針 : Ring method

分割鏡の曲率半径[m]望遠鏡放物面のY座標[m]分割鏡の配置方法 ★”Ring method”◆それぞれのringは同じ面積＝同じ枚数の鏡
1050=5-10-10-50510

望遠鏡放物面のX座標[m]★望遠鏡の結像性能とインストールの際の利便性を考慮して、最適なリング数を決める

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放物面の結像性能：光線追跡シミュレーション★2fでの測定結果539枚から理想分布に近い198枚を抽出◆放物面への配置方法を変えて、光線追跡シミュレーションを行い、望遠鏡スポットサイズを比較する。
Entries

抽出した分布放物面への配置方法

cf. 放物面上の曲率半径と光軸からの距離の関係

Random曲率半径[m]

光線追跡シミュレーションにはROBASTライブラリを用いた
A.Okumura(2016)

3 ringOptimized

Spot size(D80)[deg]

放物面の結像性能：光線追跡シミュレーション結果

Oﬀ-axisAngle=0.0[deg]の時の”random”の値で規格化

青線 : Spot size 0.1[deg]=PMT
1pixel@Oﬀ-axis Angle 1.0[deg]Method Ratio[%]
2 ring75.9
3 ring71.6
4 ring70.2
5 ring69.1Optimized67.6

Oﬀ-axis Angle[deg]★ring数を3以上に増やしても、数%しか向上が見込めない。
インストールの際の利便性も考慮して、3 ringが妥当

建設に向けて★今年度500枚の分割鏡を製造予定◆すでに100枚は納品済み、残り400枚★合計約1000枚を望遠鏡4台へ振り分ける★来年冬から建設中の初号機へ段階的にインストール予定◆2台目以降も順次建設予定

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まとめ

★約500枚の性能評価が終了◆Speciﬁcationを満たしており、製造は順調◆年内に400枚製造予定★La Palma島でも分割鏡の性能評価を行なった◆shippingの影響の有無を確認◆望遠鏡の結像性能に影響を与えるほどの変形は見られなかった★今年度中に製造予定の合計約1000枚を望遠鏡4台へ振り分ける◆配置方法は”Ring method”
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